運營狀態下特大懸索橋無損檢測及承載能力評估

2021-06-28 08:36:32王宇新

交通科技 2021年3期

王宇新

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司武漢 430052)

橋梁結構在自然環境和長、短期荷載(結構自重、汽車荷載、風荷載等)作用下，結構材料的強度、剛度等不可避免地會受到不利影響，使得橋梁結構的安全性、適用性及耐久性降低，最終影響橋梁結構的承載能力。曾德禮[1]通過動靜載試驗的方法對鸚鵡洲長江大橋的承載能力進行了分析。何加江[2]計算了某懸索橋的受力情況，楊光哲等[3]對楊泗港大橋的承載能力進行了計算。本文以某雙鉸鋼桁梁懸索橋為例，通過橋梁無損檢測手段，現場確定結構損傷和運營狀態[4]，結合有限元分析程序對其進行承載能力評估，為以后養護、維修和技術改造提供必要的科學依據。

1 橋梁概況

某雙鉸鋼桁梁懸索橋橋跨組合為900 m+5×40 m，橋長1 108 m，設計荷載為汽車-超20級、掛車-120級，設單向2.41%縱坡，全橋是整體式斷面，雙向四車道，橋面凈寬24.5 m，設雙向2%的橫坡。

主橋為900 m雙鉸鋼桁梁懸索橋，主纜矢跨比1∶10，加勁鋼桁梁高6.5 m，主桁吊索橫向間距26 m，縱向間距12.8 m，塔墩為門形混凝土塔，基礎為直徑2.8 m樁基礎。東岸設計采用隧道錨，西岸采用重力式錨碇。

鋼桁架桿件及橋面系縱、橫梁均采用Q345D低合金結構鋼。鋼桁架桿件間連接采用現場高強螺栓連接，高強螺栓性能等級10.9S級，材質為20MnTiB。主纜采用預制平行鋼絲索股(PPWS)。平行鋼絲索股每股含127Φ5.1鍍鋅高強鋼絲。

橋面系采用縱向工字梁與混凝土橋面板的結合形式。縱梁橫向間距1.95 m，梁高0.66 m，簡支在主桁橫梁上弦桿上，縱梁僅在兩端設置橫隔梁。

橋型布置及橫斷面圖見圖1、圖2。

圖1 橋型布置示意圖(單位：cm)

圖2 索塔及加勁梁橫斷面圖(單位：cm)

2 橋梁無損檢查

2.1 外觀檢查

經現場檢查，主橋存在以下病害。

加勁梁6個螺栓缺失，部分節點螺栓銹蝕；1號、2號索塔表面出現少量豎向裂縫及網狀裂縫；少量支座存在偏位、脫空或剪切現象；主鞍部分螺栓銹蝕、松動；主纜螺栓輕微銹蝕、主纜表面涂層脫落；部分吊索下錨頭頂部螺栓及墊板輕微銹蝕、吊索連桿起皮脫落、螺栓輕微銹蝕；重力式錨及隧道式錨頭上承板與下鋼盆存在間隙、部分錨頭螺栓傾斜。錨錠出現少量橫向及斜向裂縫；宜昌側左索塔處橋面出現1條橫向裂縫；左幅減速帶出現磨損現象；右幅60號吊索處橋面鋪裝出現橫向裂縫。L27號吊索處伸縮縫錨固混凝土破損，止水帶局部破損；L50號吊索伸縮縫止水帶局部脫落；恩施側左索塔伸縮縫止水帶破損；恩施側右索塔伸縮縫止水帶破損。

橋梁總體技術狀況評定得分為88.0，被評為2類橋梁。

2.2 墩塔混凝土無損檢測

在橋梁墩塔結構選擇了32個區域，每個區域均進行了混凝土碳化、強度、鋼筋保護層厚度、鋼筋電位銹蝕檢測，另對混凝土裂縫深度進行了專項檢測。檢測結果表明[5]：

1) 墩塔混凝土有輕微碳化現象，所有碳化深度均小于混凝土保護層厚度50%，對結構耐久性的影響較輕微，評定標度值為1。

2) 實測混凝土強度均大于設計強度50 MPa，混凝土強度評定標度為1，處于良好狀態。

3) 在墩塔鋼筋保護層厚度的32個檢測面中，15個檢測面鋼筋保護層最大評定標度為2，保護層厚度對結構鋼筋耐久性有輕度影響；其余檢測部位鋼筋保護層評定標度為1，保護層厚度對結構鋼筋耐久性影響不顯著。

4) 墩塔鋼筋銹蝕電位測區的電位水平均在0～-200 mV之間，評定標度為1，無明顯銹蝕狀況或銹蝕活動不確定。

5) 墩塔混凝土裂縫均為非結構受力裂縫，表面裂縫最大深度3 cm。

2.3 吊索索力

該橋吊索實測索力值與參考值相比偏差均在10%以內，索力值分布較均勻，無明顯異常。

2.4 橋梁振動特性檢測

橋梁自振頻率變化不僅能夠反映結構損傷情況，而且還能反映結構整體性能和受力體系的改變。通過測試橋梁自振頻率的變化，可以分析橋梁結構性能，評價橋梁工作狀況。

該懸索橋實測頻率與理論頻率對比結果見表1。

表1 實測頻率與理論頻率對比

由表1可知，實測各階頻率與相應理論頻率比值在1.22～1.34之間，評定標度值為1，說明該橋整體結構的動剛度處于良好狀態。

3 分項檢算系數確定

3.1 塔墩承載能力檢算系數

結合缺損狀況、材質強度、自振頻率，塔墩承載能力檢算系數評定標度D=1.8，承載能力檢算系數Z1=1.11。

3.2 塔墩承載能力惡化系數

結合缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、混凝土碳化深度、鋼筋保護層厚度、混凝土強度等，塔墩承載能力惡化系數評定標度E=1.76，承載能力惡化系數ξe=0.065 2。

3.3 墩塔截面折減系數

結合材料風化、碳化、物理與化學損傷，墩塔截面損傷的綜合評定標度R=2.00，構件截面折減系數ξc=0.98。

3.4 塔墩鋼筋截面折減系數

結合塔墩鋼筋存在的損傷，鋼筋截面折減系數ξs=1.00。

3.5 鋼結構承載能力檢算系數

結合鋼構件外觀檢查結果，鋼結構承載能力檢算系數Z1=0.92。

3.6 吊索承載能力檢算系數

結合吊索外觀檢查結果，吊索承載能力檢算系數Z1=0.96。

3.7 活載影響修正系數的確定

調查該橋梁的典型代表交通量、大噸位車輛混入率、軸荷分布后，活載影響修正系數取1.0。

4 理論模型分析

4.1 有限元模型

依據midas Civil，結合實橋布置建立有限元模型，采用梁單元模擬鋼桁梁、主纜、吊桿、主墩及索塔，邊界條件為主纜在兩端通過錨碇固定，做固端處理，鋼桁梁與索塔設置抗風支座，約束其橫向位移，縱橋向位移自由，主塔基礎為擴大基礎，基礎支承在基巖上，塔身底部做固結處理[6]。全橋共計2 409個節點，5 648個梁單元，8個桁架單元，混凝土自重取26 kN/m3，瀝青混凝土自重取24 kN/m3。空間有限元模型見圖3。

圖3 主橋空間有限元模型

4.2 荷載及荷載組合

橋梁上的荷載分為永久荷載、可變荷載，永久荷載為結構重力、混凝土收縮徐變及影響力，可變荷載為汽車、風力、溫度影響力。

二期荷載(橋面鋪裝)換算成均布荷載加載到梁單元上，車輛荷載為設計荷載，即汽超-20級，掛車-120，鋼結構體系升溫30 ℃,體系降溫30 ℃，混凝土結構體系升溫25 ℃,體系降溫25 ℃，主塔順橋向溫差±5 ℃，鋼結構與混凝土結構溫差±10 ℃，按橋面風速28 m/s進行順橋向、橫橋向陣風荷載計算。支座不均勻沉降為索塔取0.5 cm、制動力按六車道同方向計算，每一個車道的制動力為1行汽車車隊總重力的10%。制動力作用在橋面以上1.2 m處。

塔墩的分析主要考慮以下組合(組合方式為不利組合)。

組合1：恒載+汽車。

組合2：恒載+汽車+風荷載+溫度影響力+制動力。

主梁整體運營階段的分析主要考慮以下組合(組合方式為不利組合)。

組合I：恒載+汽車。

組合II：恒載+汽車+橋面28 m/s風荷載+溫度影響力+制動力。

5 承載能力評估

5.1 塔墩承載能力評估

1) 結構強度檢算。該塔墩塔柱及橫梁為鋼筋混凝土結構，受力形式為偏心受壓構件，在基本組合下塔墩縱向最大軸壓力為43 883 kN，對應的彎矩為426 001 kN·m。

考慮損傷后塔墩底部矩形截面偏心受壓的正截面設計軸力為655 797 kN，設計彎矩為2 718 821 kN·m，基于偏心距及結構重要性系數，正截面軸力效應值為468 601 kN，彎矩效應值為1 923 483 kN·m，損傷后的正截面設計值均大于正截面效應值，說明考慮結構損傷后塔墩正截面強度仍滿足規范要求。

2) 塔墩變形檢算。根據原設計規范，在汽車荷載(不計沖擊力)作用下塔墩變形限值fL=Z1L(已考慮承載能力檢算系數)。

依據計算模型，塔墩在汽車荷載作用下的最大變形為75 mm<437 mm(橋塔高度為118.2 m)，故塔墩變形仍滿足規范要求。

3) 裂縫寬度驗算。根據原設計規范，在正常使用極限狀態下，塔墩裂縫為0.136 mm<0.25×1.11 mm=0.278 mm，故塔墩裂縫仍滿足規范要求。